CC BY
48
Биохимическая трансформация твёрдых коммунальных отходов в погребённых
несанкционированных свалках Physico-chemical characteristics of waste and their temporal transformation
Q
УДК 339.54.012+338.001.36 DOI 10.24411/2658-3569-2019-13001
Горин Валерий Владимирович,
кандидат технических наук, доцент, Государственный университет по землеустройству, г. Москва
Королев Ярослав Сергеевич,
аспирант, Государственный университет по землеустройству, г. Москва
Gorin V.V.,
valerij.gorin2014@yandex.ru
Korolev I.S.,
iaroslav.korolev@yandex.ru
Аннотация: В статье рассматриваются опасность случайного проявления биотрансформации органических веществ, на территории, содержащих в техногенных грунтах перекрывающих несанкционированные свалки твёрдые коммунальные отходы.. Первоочередное внимание уделяетсясоставу и количественному содержанию биогаза, а также потенциальным экологическим техногенным последствиям.Приводятся данные проведенных в 2012 году исследований выброса свалочного газа в северо восточном административном округе г. Москвы.
Наоснованииполученнойинформацииоцениваетсястепеньопасности осуществления
хозяйственной деятельности на рассматриваемых техногенных объектов. Отельное внимание уделяется локализации газогенерирующих грунтов.
Ключевые слова: полигон твердых коммунальных отходов, экологический риск, газогенерирующие грунты, свалочный газ, пожаро-взрывоопасные грунты.
Keywords: municipal solid waste landfill, environmental risk, gas-generating soils, landfill gas, fire-explosive soils.
Строительный бум в г. Москве, разразившийся в 90-е годы и продолжающийся по настоящее время, вызывает определенный дефицит свободных земельных ресурсов
под застройку. В качестве последних сознательно или непреднамеренно используются территории занятые несанкционированными погребенными свалками.Данные территории ранее не застраивались так как требовали значительных капитальных вложений на их рекультивацию и наличия свободных земель.
Как правило, все несанкционированные погребенные свалки г. Москвы были организованны 30-50 и более лет назад в бывших границах Московской области, как места централизованного вывоза мусора в течение нескольких лет на местах бывших карьеров и в долинах. Свалки имеют постоянные границы и относительно большие объемы и площади. Часто с поверхности перекрыты минеральными грунтами, заросли травой, кустарниками и деревьями.
Все эти погребенные свалки представляют серьезную опасность, так как существенно влияют на все компоненты окружающей среды и являются мощным загрязнителем атмосферного воздуха (метан, сернистый газ и др.), почвы, поверхностных и грунтовых вод (тяжелые металлы, растворители, полихлорбифенилы — диоксины, инсектициды и др.). Компоненты природной среды вблизи свалок загрязняются на расстоянии до 1,5 км.Источники информации о свалках, часто описывают их местоположение недостаточно четко (расположение некоторых свалок вообще не идентифицировано). Поэтому местоположение свалок,даже показанное в крупном масштабе, следует рассматривать как ориентировочное.
Несмотря на то, что на «старые» свалки уже давно нечего не сваливают и их давно как бы нет идаже на этом месте уже что-то построено, к ним нужно относиться с особым вниманием. Так как, в большинстве случаев, эти свалки никуда не делись — они просто засыпаны. И не исключено, что там идут, газогеохимические процессы с образованием биогаза и отравлением подпочвенных вод и даже выходом на поверхность. В этом смысле, такие «зарытые» свалки «химические мины» замедленного действия, которые могут быть даже опаснее чем открытые. [1]
В данной статье приводятся результаты проведенных в августе 2012 г.газогеохимических исследований почвогрунтовна урбанизированной территории, на которой расположен«Научно-технический центр»по адресу г. Москва, СВАО, ул. Отрадная.вл.2., на которой на начальном этапе строительных работ по реконструкции здания было обнаружено напорное истечение газа из скважин.
Территория представляет собой достаточно ровный участок повсеместноперекрытый насыпными техногенными грунтами с включением строительного мусора.Участок
проектируемого строительства расположен на застроенной территории с асфальтовым покрытием. Открытые участки грунта практически отсутствуют.
Измерение параметров почвенных газов осуществлялось газоанализатором ECOPROBE 5 фирмы RC DYNAMICS, фотоионизационный (ФИД) и инфракрасный каналы (ИК) которого обеспечивают одновременное измерение концентрации паровой фазы, содержащихся в почве летучих органических соединений, углеводородов нефти, метана, окиси углерода и кислорода.
ФИД датчик производит измерение суммарной концентрации летучих органических соединений и других токсичных газов, включая хлорированные углеводороды. Прибор автоматически настраивается на распознавание почти 200 различных летучих органических химических соединений (ЛОС). Чувствительность ФИД анализатора составляет 1 ррт. Относительная погрешность равна 5-7 %.
ИК анализатор обеспечивает дифференциальное измерение концентрации метана, углеводородов нефти, углекислого газа и содержание кислорода. Предел чувствительности составляет 20 ррт. Относительная погрешность равна 10 %.
Методика газогеохимической съёмки базируется на исследовании наиболее доступной для измерения свободной фазы газов из подповерхностной грунтовой зоны. [2]
Основными источниками газового поля литосферы являются: газогенерирующие природные и техногенные грунты, содержащие разлагающуюся почвенную органику и загрязнение почвогрунтов углеводородами от выбросов автотранспорта, проливов нефтепродуктов при работе автотракторной техники и др.
Ввиду значительного перекрытия исследуемого участка асфальтом и строительными конструкциями,проведение газогеохимической съёмки по регулярной сетке оказалось невозможным, поэтому был выбран режим полевой съемки по периметру реконструируемых сооружений в частично затампонированных скважинах,пробуренных заказчиком под геологические изыскания.
В скважинах при помощи ручного мотобураSTIHL®BT120C осуществлялось бурение шпуров диаметром 5 см и глубиной 0,5 м, в которых проводились прямые измерения содержаний метана, двуокиси углерода, летучих органических соединений и нефтепродуктов. Дополнительно, в режиме непрерывных измерений определялись те же самые газовые компоненты в ливнестоках, и канализационных колодцах. В результате работ были отобрано и проанализировано 50 газогеохимических проб.
Полученные данные измерений по содержанию летучих органических соединений, углеводородов нефти, метана и диоксида углерода при использовании собственного
программного обеспечение ЕСОРЯОВЕ 5 перекачивались в персональный компьютер и с помощью программы ECOPROBEViewформировались в файл с данными в формате .txt , который используется графическим программным обеспечением SurferforWindows. для последующего их табличного и графического отображения. В табл. 1 приведены полученные результаты измерений, на основании которых строились цифровые гипсометрические модели (рис.1-4).
Та-олица 1. Результаты газогеохимнческон съемки на о&Бекте«Научно-технический центра по адресу: г. Москва. СБ АО. ул. Отрадная, ел. 2
i « 4 1 й- i Координаты, t -J L 6 4 i-£ / s 'I i 3 Ж 113" ■ Нефтепродукты, % 6 Ж 1 $ ± EL
lis ас ^ И Y
1 2 3 4 5 6 7 E
1 3 С с.з o,oc c,oc 3,03 20,33
2 -? -14 C.l o,oc C,1C 3,03 20,33
-21 -23 CO o,oc c,oc 3,03 20,33
д -34 -¿3 C.l o,oc o,oc 3,03 20,33
Е -47 -Sc CD o,oc о,оз 3,03 20,33
5 -32 CD o,oc 1,50 3,03 20,33
7 -33 CO 0,03 o/c 3,13 20,33
5 -115 CD 1,03 2,5C 1,13 20,33
9 -33 -123 CD 2,05 3,10 Z,13 20,33
10 "10S -1 ¿4 CD 2,33 4,1С 2,5 3 20,35
11 -НЕ -153 CD 3,03 4,5C 3,70 20,33
12 -12? -153 C.l 4,73 3,73 2,7 3 20,34
13 -143 -lie 1,2 4,OS 3,31 2,23 20,33
14 -14? -13S 5,33 4,23 2,3 3 20,35
1Е -156 -133 3/4 3,3C 2,3 3 20, SC
15 -153 -124 CD 13,27 15,05 12,33 20,75
17 -144 -115 CD 13/2 15,33 13,00 20,74
-137 -1С4 CD 5/3 3,5C 4,7 3 20,37
19 -133 -34 CD 2,5C 3,2C 1,13 20,37
20 -123 -33 CD C,5C 2,74 3,3 3 20,33
21 -113 -74 CD c,oc 0/3 3,03 20,33
22 -10Z -54 CD C,0C 0,3c 3,03 20,37
2: -15 -53 CD C,0C 0,2C 3,03 20,37
24 -55 -¿С CD c,oc 0,01 3,03 20,33
25 -75 -21 0,0 с,ос С,07 0,00 20,87
2Ь -70 -15 CO с,ос с,а 0,00 20,90
27 -3 co с,ос С,02 Э.ОО 2c,s7
25 -4s 1с 0,0 с,ос С,03 0,00 20,33
29 -27 s CO с,ос с,ОС 0,00 20,90
30 -51 52 0,1 с,ос с,ОС о,оо 20,90
31 -55 ¿1 0,1 с,ос 0,01 0,00 20,39
32 -75 3c °,3 с,ос 0,03 0,00 20,39
33 -SI 17 1,3 с,ос 0,04 0,30 20,39
34 -si 7 1,3 с,ос С,04 20,33
35 -s? -5 1,b с,ос 0,05 1,3 0 20,39
36 -107 -15 c.7 с,ос 0,03 0,l0 2c,s1
37 -117 -13 c.3 с,ос с,ос 0,l0 2c,sc
3s -125 -5 с 9 с,ос с,01 0,10 2c,s1
-135 1 с 6 с,ос 0,02 0,10 2c,s1
40 -144 a 0,0 с,5с 0,25 o.io 20,39
41 -13b is 0,9 1,10 2,50 0,5 0 20,39
42 -132 2S о,з 3,40 3,75 i.10 2c,sc
43 -125 3S с: 5,70 3,4 4 2,70 2c,s1
44 -11? 47 с. 4 4,75 3,55 2,10 2c,s2
41 -hi 57 с s 1,43 1,н 1.50 2c,91
45 -105 ss со с,ос с, 05 O.OO 2c,9c
47 -s3 77 со С,07 c/s 5,10 20,92
45 -so 7c с1 с,ос с,ос 0,00 2c,91
49 -so 64 со 0,02 0,17 0,00 20,92
50 -73 53 со с,ОС 0,07 0,00 2c,sc
Рис. 3. Распределение углеводородов Рис. 4. Распределение летучих
нефти, % органических соединении, ррт
Полученные пространственные распределения содержаний компонент подповерхностных газовых ореолов (Рис. 1-4) показывают, что газогеохимическая обстановка на юго-западном и северо-восточном участках территории проектируемого строительства характеризуется аномальными газовыми проявлениями летучих органических соединений метана, углекислого газа и углеводородов нефти.
Совместный по канальный анализ приведенных на рис.1 -4пространственных распределений их формы, положения и содержания различных компонент показал следующее.
Самые интенсивные превышения содержания газовых компонент зарегистрированы в юго-западной части обследованной территории (точки 9-18) что указывает на идущий процесс газогенерации.
Превышение по каналу ФИД (максимальное значение 2,5 ррт )связано с присутствием в грунтовом массиве широкого спектра летучих органических соединений [3].
Зарегистрированные пожаровзрывоопасные концентрации по метановому каналу указывают на интенсивную бактериальную активность типичную для старого загрязнения, что подтверждается совпадением зарегистрированных содержаний по каналу углеводородов нефти и незначительным уменьшением О2 , подтверждающим бактериальную активность.
Из табл.1 и рис.4видно, что максимальные концентрации метана и диоксида углерода, в точках измерения 16 - 17 и достигают 13,27 и 13,42 объёмных процентов по метану и 15,05 и 15,33 объёмных процента по диоксиду углерода, соответственно, что характеризует грунты в соответствии с МГСН (ТСН 11-301-2005 г. Москва) как пожаровзрывоопасные (содержание метана более 5,0% и С02-пх10%)..
В той же пространственной локализации выявлены аномальные газовые проявления углеводородов нефти и газовых ореолов ЛОС (рис. 3,4), концентрации которых достигают для углеводородов нефти 13% (точки измерения 16 -17) и для ЛОС более 1,5 - 2,5 ppm (точки измерения 13 -15).
Незначительные превышения каналам ЛОС и нефтяных углеводородов и отсутствия значимых концентраций по каналу метана в точках 30-34 и 41- 46 связано со "свежим " углеводородным загрязнением обусловленного выбросами от работающего автотранспорта, проливами и испарениями органических растворителей и автомобильного топлива, что характерно для автостоянок, ремонтных мастерских и складов горючесмазочных материалов.
Полученная информация позволяет предположить, что в насыпных грунтах протекает анаэробная биоконверсия органического вещества с участием метаногенного сообщества микроорганизмов, содержащегося в твердых бытовых отходах, муниципальных шламах, строительных отходах и строительном мусоре, отходах нефти и газа и т.п. При этом разложение прошло уже стадию ацидогенного, первичного разложение органики на летучие карбоновые кислоты, и их переработки метаногенами в метан CH4 и диоксид углерода CO2. Согласно имеющимся наблюдениям, можно предположить, что возраст газогенерирующих грунтов в среднем составляет не менее 10-15 лет, а окончательное окончание биоконверсии можно ожидать в течении последующих 30 лет.
Газопродуктивность и скорость процесса определяется условиями среды, сложившимися в конкретном свалочном теле, такими как влажность, температура, рН, и составом органических фракций. Практика наблюдений показывает, удельный выход газа может составлять 120-200 м3 /тТБО.
В условиях отсутствия мест разгрузки, как в данном случае, концентрации образующегося биогаза могут достигать значительных величин. В условиях полного асфальто-бетонного перекрытия грунта на значительной территории разгрузки образующегося биогаза на дневную поверхность не происходит, поэтому не исключена вероятность его миграции из области биоконверсии, под воздействием возрастающего давления в направлениях зон разуплотнения техногенной толщи грунтового массива. По этой причине по результатам одной только газогеохимической съёмки указать область газогенерации а тем более определить её пространственные размера не представлялось возможным.
Для получения дополнительной информации по уточнению границ выявленной газовой аномалии, определения содержания компонентов биогаза, выявление мест и глубины залегания газогенерирующих грунтов были проведены атмогеохимические изыскания которые включали:
- измерения в дополнительно пробуренной скважине, расположенной на расстоянии 20 м от скважин, в которых наблюдались наибольшие концентрации метана;
- замеры в очистных сооружениях и подвале здания как местах возможного выхода биогаза из зон генерации и накопления;
- повторные измерения содержания компонентов биогаза в ранее пробуренных и частично затампонированных скважинах в местах с максимальных содержанием метана, для изучения динамики поведения газовой аномалии;
- отбор и лабораторный анализ проб грунта из дополнительно пробуренной скважины на наличие органического вещества.
Обобщённые результаты дополнительных полевых и лабораторных измерений содержания компонентов биогаза приведены в табл. 2 и 3 .
Таблица 2 Состав и содержание компонентов биогаза
№ точки измерения Место отбора Летучие углеводороды, ррт Метан, % Углекислый газ, % Нефтег ро-дукты, И Кислород, %
14 Скважина доп. 0,56 0,00 1,32 0,00 20г31
15 Очистные 5,04 0,00 0,03 0,00 20,32
16 Подвал 0,17 0,00 0,13 0,00 20,32
17 Повтор скважина 12 1,10 0,06 0ГЗВ 0,07 20,33
18 Повтор скважина 15 0,00 0,00 огав 0,00 20,33
Таблица 3 Состав и содержание летучих органических и неорганических соединений в биогазе
№ пробы Бе тол Толуол п-кси-лолмг/ М- м-кси-лолм г/ п1 о-кси-лолмг/ м1 СО HjS SOj NOj
Место отбора мг/м3 глт/гл1 мг/м3 мг/м 3 мг/м э мг/м3
14 Скважина до п. 0,07 0,3 0,05 0,01 - 1,2 0,02 0,4 0,01
15 Очистные - - - - - о,оа - - -
16 Подвал - - - - - 1,6 - о,оа 0,01
17 Повтюр скважина 12 0,05 0,1 0,03 0,01 — 0,2 0,01 0,06 —
18 Повтюр скважина 15 0,03 0,1 0,01 0,01 — 0,5 0,02 0,01 —
Границы погрешности при 25% 25% 25% 25% 25% 20% 20% 20% 20%
доверительной вероятно-
сти Р = 0,95
Из таблицы 2 и 3 видно, что в дополнительно пробуренной скважине содержание метана не выявлено, однако присутствует повышенное содержание углекислого газа, а также, летучих углеводородов (бензола, толуола и изомеров ксилола), оксида углерода, сероводорода, диоксида серы и азота.
В точке измерений на очистных сооружениях, практически не обнаружено биогаза, за исключением некоторого количества диоксида углерода и угарного газа.
В подвальных помещениях метана также не было обнаружено, но присутствовали в незначительных концентрациях оксид углерода и диоксиды серы и азота, а также относительно высокие концентрации углекислого газа.
Повторные измерения компонентов биогаза в частично
затампонированных скважинах, показали наличие метана в незначительных количествах в одной из них (точке 17, рис 1. При этом выявлены довольно высокие значения углекислого газа. Причем его значение (0,88 %) выше в той скважине (№ 18), в которой метан не был обнаружен. Также в скважинах присутствуют ароматические углеводороды и неорганические газы (угарный газ, сероводород, диоксид серы).
Результаты проведенных исследований указывают на то, что в результате бурения первоначальных 33 скважин, в течении месяца, произошла разгрузка газовой аномалии и часть метана диффундировала в атмосферу. Другая часть, в результате притока кислорода и изменения условий с анаэробных на аэробные, окислилась с образованием углекислого газа и, при неполном окислении, - угарного (СО). Это подтверждается тем фактом, что при измерении метана в законсервированных скважинах его содержание довольно хорошо коррелирует с содержанием углекислого газа (коэффициент корреляции - 0,76), и чем больше окисляется метана, тем больше концентрация углекислого газа.
Состав и незначительное содержание неорганических газов в скважинах и их отсутствие а подвальном помещении и на очистных сооружениях указывает на их отношение к биогазу как продукту разложения бытовых отходов [4]. Как видно из таблицы 3 их значения максимальны в свежей скважине и снижается в законсервированных, как результат их естественного оттока в течении месяца после бурения.
Необходимо отметить также, что наличие ароматической компоненты в составе летучих органических соединений доказывает биогенность происхождения газовой аномалии, как характерного продукта разложения органического вещества в анаэробных условиях в газогенерирующих грунтах.
Полученные результаты уверенно указывали на наличие в техногенных грунтах захороненной свалки бытовых отходов возрастом не менее 10-15 лет.
В каталоге несанкционированных свалок г. Москвы. в период 1992-2003 гг, [1 ] можно найти в общем перечне несанкционированных перекрытых свалок (НПС) свалки строительных и бытовых отходов по адресам Березовая аллея,вл.6 (площадь 14 га; мощность свалочных грунтов 2-4 м) и Сигнальный проезд у электродепо «Владыкино»(площадь 1-2 га; мощность свалочных грунтов 1.5-2.0 м), которые должны
были рекультивироваться в третью очередь. Информация о проведенной рекультивации отсутствует.
Полученные пространственные распределения содержаний компонент подповерхностных газовых ореолов (Рис. 1-4) показывают, что газогеохимическая обстановка на юго-западном и северо-восточном участках территории проектируемого строительства характеризуется аномальными газовыми проявлениями летучих органических соединений метана, углекислого газа и углеводородов нефти.
. Пространственное расположение выявленной газовой аномалии и НПС по указанным адресам показано на рис.5. Совместное рассмотрение геоморфологического строения и данных по расположению газовой аномалии и НПС показывает что они приурочены к пойменной части р.Лихоборка, забранной в коллектор и сверху перекрытой насыпными грунтами.
Если предположить, что область повышенного газопроявления является следствием биоконверсии органических веществ, содержащихся в строительных и бытовых отходах, погребённых под насыпными грунтами, то в качестве рабочей гипотезы, с учётом вышеизложенного можно предположить, что выявлены свалочные отложения на участках, либо не вошедших в упомянутый каталог, либо являющиеся некоторой частью упомянутых в каталоге НПС.
Рис. 5. Схема расположения участка проектируемого строительства
Для проверки этой гипотезы были проанализированы пробы из дополнительно пробуренной скважины с целью определения углерода органического происхождения. Органическое вещество измерялось по методу Тюрина в модификации Никитина с фотометрией [ ]. Результаты измерений представлены а табл.4
Таблица 4 Содержание органического углерода {%} в пробах грунта из скважины
№ Глубина отбора пробы, гл/ гранулометрический состав Сорг, % рН, ед.
1 0,6 / суглинок 0,52 7,59
2 1,5 / суглннок 1,04 7,53
3 2,5 / суглинок 0,97 7,60
4 3,5 / суглинок 0,31 7,40
5 4,5 / суглинок 0,69 6,46
6 5,5 / суглинок-песок 1,09 7,66
7 6,5 / суглинок-песок 1,41 7,75
S 7,5 / супесь 1,57 7,36
9 8,5 / супесь 0,37 7,22
10 9,5 / суглинок 0,33 6,60
11 10,5 / суглинок 0,30 7,30
12 11,5 / суглинок 0,27 6,33
13 12,5/ суглинок 0,15 7,20
Границы погрешности при доверительной вероятности Р = 0,95 20% 20%
Анализ приведенных в табл. 4 данных показал, что в исследуемых пробах грунта содержится повышенное количество органического вещества, как в верхней части профиля, которое немного спадет на глубине 2,5 метра и резко повышается с глубины 3,5 до 7,5 метров с максимумом 6,5-7,5 метров.
Причем значения показателя углерода органического в этих грунтах высокое и условно его можно сравнить со значениями, характерными для верхних гумусовых горизонтов зональных почв. Необходимо отметить, что максимальные содержания органического углерода отмечались на тех, глубинах, гранулометрический состав которого представлен
песком или супесью, что, предположительно указывает на использованную технологию захоронения отходов, и может служить ориентировочным диагностическим признаком при их выявлении. ВЫВОДЫ
Результаты исследований подтвердили степень опасности перекрытых грунтами несанкционированных свалок, содержащих твёрдые бытовые отходы.
В условиях отсутствия зон разгрузки образующиеся в результате биоконверсии органики биогаз может накапливаться в зонах газогенерации до ураганных концентраций и представлять «мину» замедленного действия, как с экологической, так и с пожаровзрывоопасной точек зрения.
Можно предположить, что из-за отсутствия достоверной информации о местоположении газогенерирующих грунтов существует вероятность их случайного проявления на участках будущих застроек на территории любого из административных округов г.Москвы.
Данное обстоятельство необходимо учитывать при проведении земляных работ при подготовке проектных решенийна проведение строительства объектов любого назначения и сложности.
Список использованной литературы
1. Постановление Правительства Москвы от 3 мая 2005 г. № 313-ПП « Об утверждении Московских строительных норм» Положение о порядке проведения работ по рекультивации несанкционированных свалок в городе Москве»Приложение 2. Каталог несанкционированных свалок г. Москвы
2. Горин В,В, Д.А. Шаповалов, Опыт применения современных измерительных технологий для мониторинга углеводородных загрязнений природных сред// Экологические системы и приборы, №1, стр. 2-13, 2009 г.
3. Чусов А.Н., Масликов В.И., Молодцов Д.В. Исследования составабиогаза на полигоне
твердых_бытовых_отходов_//_
Безопасность в техносфере. 2013. Т. 2. № 6. С. 24-28.
4. Горин В,В, Шаповалов Д.А., Клюшин П.В., Мониторинг газогеохимического состояния территории люберецких полей фильтрации// Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2011. № 11 (83). С. 034-040.
